基于MSPA的福州市綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化研究

許琳昕

(福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州 350002)

1 引言

綠色基礎(chǔ)設(shè)施(GI)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是緩解城市生態(tài)問題、提升人居環(huán)境質(zhì)量的重要途徑，這一概念起源于歐美國家的城市公園運(yùn)動(dòng)?；诰坝^生態(tài)學(xué)中“斑塊-廊道-基質(zhì)”模式，GI網(wǎng)絡(luò)可以看作是各關(guān)鍵生態(tài)要素所呈現(xiàn)的空間格局[1]。在GI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面，目前已有許多學(xué)者利用地理信息技術(shù)和土地利用數(shù)據(jù)，定量對(duì)GI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析與評(píng)估[2]。其中,形態(tài)學(xué)空間分析(MSPA)是研究綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的有利手法，依據(jù)土地利用類型數(shù)據(jù)，提取林地等生態(tài)用地為前景(Foreground)，其他用地類型為背景(Background)，經(jīng)圖像處理技術(shù)可將前景氛圍互不重疊的7類要素：核心區(qū)(Core)、橋接(Bridge)、環(huán)路(Loop)、支線(Branch)、邊緣(Edge)、孔隙(Perforation)和孤島(Islet)[3]。邱瑤[4]運(yùn)用MSPA方法提取深圳市綠色基礎(chǔ)設(shè)施要素，并在復(fù)合尺度下進(jìn)行GI網(wǎng)絡(luò)分級(jí)規(guī)劃。于亞平[5]融合MSPA、景觀連通性、圖譜理論的研究框架，為南京市及其他地區(qū)GI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及GI格局變化的研究提供參考。劉頌[6]基于MSPA方法構(gòu)建蘇錫常區(qū)域綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，并提出相應(yīng)優(yōu)化策略。

目前，在快速城市化與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型進(jìn)程下，福州市面臨著生態(tài)景觀格局破壞、生物多樣性降低等一系列問題，本研究總結(jié)前人的研究方法，基于ArcGIS10.6、Fragstats4.2、Guidos、Conefor2.6及基于電路理論的Linkage Mapper等軟件平臺(tái)，運(yùn)用景觀格局分析、形態(tài)學(xué)空間分析方法(MSPA)、連通性分析、最小積累阻力值模型等進(jìn)行福州市綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化，以期為福州市未來城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃提供參考。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)域

福州市(E119°18′N26°05′)，研究區(qū)域包含福州市區(qū)、閩侯縣和永泰縣，總面積達(dá)6035 km2。福州市位于亞熱帶季風(fēng)氣候帶，降水充足，河網(wǎng)密布，森林資源豐富，森林覆蓋率達(dá)到58.06%，因此，在構(gòu)建綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的過程中應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有生態(tài)資源，注重生態(tài)斑塊之間的有機(jī)組合，充分發(fā)揮其生態(tài)效益(圖1)。

圖1 研究區(qū)域現(xiàn)狀土地利用分布

2.2 研究數(shù)據(jù)與預(yù)處理

本文所使用的遙感數(shù)據(jù)包括：①空間行政邊界矢量數(shù)據(jù)(來源：國家基本地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù))；②福州市2020年4月8日 Sentinel-2 L2A無云遙感影像數(shù)據(jù)，分辨率為10 m(來源：歐洲空間局https://www.sentinel-hub.com/)，主要用以解譯用地與生成NDVI植被歸一化指數(shù)；③DEM數(shù)字高程模型，分辨率為30 m(來源：Earth Explorer https://earthexplorer.usgs.gov/)，用以生成高程數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù)。將以上遙感數(shù)據(jù)集導(dǎo)入ArcGIS 10.6平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)管理工具進(jìn)行鑲嵌、裁剪、重采樣等預(yù)處理，使數(shù)據(jù)的空間范圍一致。

3 研究方法

3.1 現(xiàn)狀景觀格局分析

基于福州市現(xiàn)狀土地利用柵格數(shù)據(jù)，利用FRAGSTATS 4.2軟件平臺(tái)，從類型水平與景觀水平兩個(gè)方面選取斑塊類型百分比(PLAND)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、斑塊密度(PD)、斑塊分離度指數(shù)(DIVISION)、斑塊聚合度指數(shù)(AI)、景觀連接度指數(shù)(CONNECT)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)這7個(gè)具有代表性的景觀指數(shù)，對(duì)福州市現(xiàn)狀景觀格局進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)[7]。

3.2 GI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

3.2.1 GI源提取

基于景觀格局分析的結(jié)果，將優(yōu)勢(shì)度、連通度最高。破碎度最小的自然景觀類型作為MSPA分析的前景數(shù)據(jù)，其余作為背景數(shù)據(jù)，在Guidos軟件中進(jìn)行運(yùn)算處理。根據(jù)島嶼生物地理學(xué)理論，GI源的選擇應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮斑塊面積與連通性兩方面[8]，本研究選取MSPA分析結(jié)果中斑塊面積大于50 hm2的核心區(qū)，利用Conefor2.6軟件，設(shè)置連通性閾值為1000 m，連通概率為0.5，選取可能連通性指數(shù)(PC，公式1)對(duì)核心區(qū)斑塊進(jìn)行景觀連接性評(píng)價(jià)，最終以面積大于50 hm2且dPC>0.5(公式2)的斑塊作為GI源。

(1)

(2)

3.2.2 阻力面構(gòu)建

參照相關(guān)研究[9]，本文選取MSPA景觀類型、土地利用類型、NDVI植被歸一化指數(shù)、坡度和高程作為阻力評(píng)價(jià)因子，利用ArcGIS中重分類工具對(duì)其進(jìn)行分類、賦值，并通過層次分析法對(duì)各個(gè)阻力因子進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，獲得權(quán)重，最終通過ArcGIS平臺(tái)中的柵格計(jì)算器工具得到綜合阻力面柵格數(shù)據(jù)(表1)。

表1 各評(píng)價(jià)因子阻力值及權(quán)重

3.2.3 廊道識(shí)別

斑塊之間的物種遷徙、能量流通都需要克服景觀中不同類型的阻力，而廊道正是幫助物質(zhì)能量在空間流通的通道?；谧钚》e累阻力模型(Minimal cumulative resistance, MCR)，通過在ArcGIS 10.6中使用Linkage Mapper工具，可以得到GI源中的物質(zhì)能量在研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行遷移的最小成本路徑(Least-cost-path, LCP)，作為源地之間的潛在廊道。

4 結(jié)果與分析

4.1 現(xiàn)狀景觀格局分析

由表2可以看出，福州市以山地森林為主要景觀類型，占研究區(qū)域總面積的68.83%以上，分布在研究區(qū)域的北部、南部和西部；耕地次之，占研究區(qū)域總面積8.94%；再次之為建設(shè)用地，集中分布在研究區(qū)域中部和東部福州市區(qū)范圍內(nèi)。在類型層面上，LSI用以表征斑塊類型形態(tài)的復(fù)雜程度；PD則表征了不同類型斑塊的破碎程度，值越大，破碎化程度越高；AI表征了斑塊類型的聚合度，值越大表明該類型內(nèi)部的聚合度越高，越利于物質(zhì)能量的循環(huán)流通。根據(jù)表2可以得出，研究區(qū)域內(nèi)林地、水體和建設(shè)用地的破碎化程度較小，聚合度較高；而草地、灌叢、耕地、裸地和濕地表現(xiàn)出破碎化程度較高的特征。在景觀層面上，CONNECT指數(shù)反映了景觀整體的連接程度，SHDI指數(shù)反映出景觀內(nèi)部斑塊的豐富程度。結(jié)合表3可知，研究區(qū)域內(nèi)景觀類型整體上較為豐富，但CONNECT指數(shù)偏低，需要通過合理的規(guī)劃構(gòu)建廊道以提升整體連通度。這也反映了由于各類大型生境斑塊遭到建設(shè)用地的侵占蠶食，破碎化嚴(yán)重，山林、河流之間失去了生態(tài)“紐帶”。

表2 類型水平上的景觀格局指數(shù)

表3 景觀水平上的景觀格局指數(shù)

4.2 GI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

4.2.1 GI源的提取

根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)狀景觀格局的分析可以得知，林地總體面積大，破碎度小并且聚合度高，說明林地在提供區(qū)域生態(tài)效益方面占據(jù)主導(dǎo)作用，且故將林地設(shè)為MSPA分析的前景數(shù)據(jù)(圖2)。結(jié)合MSPA分析結(jié)果(表4)可知，核心區(qū)面積為 3190.24 km2，占GI源地總面積的76.82%，其主要分布在研究區(qū)域北部、南部和西部的山地，有福州國家森林公園、鼓山風(fēng)景名勝區(qū)和旗山風(fēng)景名勝區(qū)等，是福州市重要的生態(tài)源地。此外，連接核心區(qū)斑塊的橋接以及起到“踏腳石”作用的孤島僅占GI源地總面積的3.26%和0.92%，側(cè)面反映出現(xiàn)狀核心區(qū)斑塊之間的連接性較差，亟需增加生態(tài)廊道的建設(shè)。

表4 MSPA景觀類型統(tǒng)計(jì)

圖2 基于MSPA分析的研究區(qū)景觀分類

根據(jù)MSPA分析與連通性分析的結(jié)果，共篩選出24個(gè)面積大于50 hm2且dPC>0.5的核心區(qū)斑塊作為GI源地(表5)。由圖3可知，GI源地大多分布在研究區(qū)域北部、東北部、西部與西南部的城郊山地區(qū)域，聚合成大面積片狀空間，環(huán)繞著中部及東部平原區(qū)域(即福州市區(qū))。

表5 核心區(qū)GI源地景觀連接性指數(shù)(dPC)

圖3 基于MSPA和景觀連接度分析的GI源地空間分布

4.2.2 阻力面構(gòu)建

由圖4可以看出，研究區(qū)域北部、西部和南部的阻力較小，而中部和東部的阻力較高。結(jié)合土地利用類型(圖1)可以看出，這是由于建設(shè)用地集中在中、東部地區(qū)，且閩江、烏龍江穿城而過，導(dǎo)致這兩處區(qū)域阻力值顯著高于周邊區(qū)域。

圖4 研究區(qū)綜合阻力面

4.2.3 潛在廊道提取與GI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

基于最小積累阻力模型與Linkage Mapper工具，共提取出61條廊道(圖5)，其空間特征主要表現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：首先，廊道增強(qiáng)了各個(gè)GI源地之間的連接度，但廊道空間分布不均，主要分布在研究區(qū)域北部、南部和西部的山地，缺乏對(duì)中部和東部區(qū)域(即福州市區(qū))的溝通作用；其次，廊道長度差異較大，GI源地間平均最小成本路徑長度為22.94 km，最長為87.06 km，最短為1.95 km，其中有53條廊道長度在10 km以上，占廊道總數(shù)的86.89%。

4.2.4 新增GI源選取與GI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

根據(jù)MSPA分析結(jié)果以及潛在廊道的分布(圖5)，選取市區(qū)中2個(gè)面積大于50 hm2的核心區(qū)斑塊作為新增GI源地(表6)。同時(shí)結(jié)合NDVI植被歸一化指數(shù)分析結(jié)果，從植被密度較高的其他用地類型(多為耕地)中挑選出29個(gè)面積大于50 hm2且dPC>0.5的斑塊作為新增潛在GI源地(表7)。這類潛在GI源地斑塊面積較大，是所處環(huán)境內(nèi)的優(yōu)勢(shì)斑塊，且生境質(zhì)量較好，能夠通過改良耕作模式、適當(dāng)退耕還林等方式成為GI源地，參與到GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化中。

圖5 現(xiàn)狀GI網(wǎng)絡(luò)空間分布及廊道長度

表6 新增GI源地(核心區(qū))景觀連接性指數(shù)(dPC)

表7 新增潛在GI源地景觀連接性指數(shù)(dPC)

現(xiàn)狀潛在廊道的最小成本路徑平均長度為22.94 km，而結(jié)合新增GI源優(yōu)化后的最小成本路徑平均長度為12.98 km。此外，經(jīng)過對(duì)比不同長度分類中最小成本路徑的數(shù)量比例，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的GI網(wǎng)絡(luò)中小于10 km的最小成本路徑比例有大幅提高，從13.12%上升至51.57%；而大于10 km最小成本路徑的比例有所下降，其中大于50 km的比例從8.20%下降至1.26%(圖6，圖7)。這是由于新增GI彌補(bǔ)了福州市區(qū)源地的“空白”，降低物質(zhì)能量在各個(gè)GI源地之間移動(dòng)所耗費(fèi)的成本，增加了GI網(wǎng)絡(luò)的整體連通度[10]。

圖6 優(yōu)化后GI網(wǎng)絡(luò)空間分布及廊道長度

圖7 現(xiàn)狀與優(yōu)化后的最低成本路徑(廊道)長度統(tǒng)計(jì)信息

5 結(jié)論

本研究以福州市為研究區(qū)域，通過景觀格局指數(shù)分析、形態(tài)學(xué)空間分析(MSPA)、景觀連接度及最小積累阻力值模型等方法，對(duì)福州市現(xiàn)狀土地利用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，以此為依據(jù)構(gòu)建GI網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)優(yōu)化了景觀格局，主要結(jié)論如下。

(1)研究區(qū)域景觀豐富度較高，現(xiàn)狀景觀構(gòu)成要素主要以林地、耕地和建設(shè)用地為主，其中作為主要GI源的林地呈現(xiàn)出破碎度低、聚合度高但連接度較低的景觀格局特征。

(2)研究區(qū)域綜合阻力呈現(xiàn)中心高、四周低的格局，反映出GI源地之間的溝通被建設(shè)用地與河流所阻隔，需加強(qiáng)研究區(qū)域東部與西部、南部與北部之間的連接。

(3)結(jié)合斑塊面積與連通度分析結(jié)果，可以為GI源地保護(hù)的優(yōu)先級(jí)提供依據(jù)，其中核心區(qū)38、78、86、95、99、100、103、106號(hào)GI源地斑塊需重點(diǎn)保護(hù)。

(4)基于Linkage Mapper生成的61條潛在廊道一定程度上增強(qiáng)了各GI源地之間的連接，但廊道空間分布不均，且絕大部分廊道長度過長，容易發(fā)生斷裂，通過適當(dāng)增設(shè)GI源的方式對(duì)GI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，大幅降低了廊道平均長度，整體上提高了GI網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

綜上所述，以形態(tài)學(xué)空間分析(MSPA)為核心技術(shù)，綜合景觀格局指數(shù)分析、連通度分析、最小阻力模型的研究方法能夠有效識(shí)別福州市GI源地要素，構(gòu)建市域綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，為將來福州城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃實(shí)踐提供一定參考價(jià)值。